 |
Лекция №12. Возможности использования энергии биотоплива и вторичных энергоресурсов
|
|
|
|
План лекционного занятия: биоэнергетика. Источники биомассы. Физические основы утилизации биомассы. Термохимические процессы в биомассе.
Цель: иметь представления о биоэнергетике; изучить физические основы утилизации биомассы.
12.1 Биоэнергетика. Источники биомассы. Физические основы утилизации биомассы
Биоэнергетика – это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах жизнедеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере. В последнее время сюда относят и процессы, связанные с образованием биомассы и ее использованием для получения энергии в промышленных целях. Биомасса – общая масса растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади или объема их обитания. Численно она выражается в массе сырого или сухого вещества (кг/м2; кг/га; кг/м3).
Биомасса является органическим веществом, генерируемым растениями в результате фотосинтеза. При попадании солнечного света на лист растения содержащийся в нем хлорофилл активизируется и вступает в реакцию с углекислым газом, содержащимся в воздухе. В результате реакции в атмосферу выделяется кислород и образуется простейший углеводород, который идет на построение сложных органических соединений – жиров, белков и углеводов, составляющих вещество биомассы. При окислении биомассы выделяется тепловая энергия, эквивалентная энергии, полученной в процессе фотосинтеза. И хотя КПД фотосинтеза не превышает 1 %, ежегодный прирост биомассы на земле таков, что ее энергосодержание примерно в 10 раз превышает потребность в энергии всех жителей земного шара. Небольшая часть всей биомассы после переработки (или без нее) служит пищей для людей и животных, источником для изготовления товарных ценностей или для получения тепловой энергии. Особую группу составляют отходы такой переработки, включая бытовой мусор, во многом состоящий из органических веществ.
|
|
|
Энергия биомассы может быть получена двумя способами:
- непосредственным сжиганием (дрова, отходы деревообработки, торф и др.) или тоже сжиганием, но после получения в результате глубокой переработки более ценных видов топлива (например, в газообразной форме), которые обеспечивают гораздо более высокий КПД топочных устройств;
- второй способ позволяет утилизировать и такие виды биомассы, кото-
рые не поддаются непосредственному сжиганию.
В промышленных отходах биомасса встречается прежде всего на пред-приятиях пищевой промышленности, т.е. там, где перерабатывается сельскохозяйственная продукция. Количество твердых отходов ТБ достигает там от 100 до 600 кг на тонну сырья. Часть этих отходов служит хорошим кормом для скота, а остальные (отходы крупорушек, шелуха семечек подсолнечника и т.п.) можно с успехом сжигать даже в обычных топочных устройствах.
Высокую теплоту сгорания имеют и растительные остатки растений, которые остаются на поле после уборки урожая (например, солома, кукурузные стебли и т.п.) или вывозятся оттуда вместе с урожаем (кукурузные початки). Из-за сезонности их образования использовать только их отдельно затруднительно, но в качестве дополнительных источников энергии они достаточно эффективны. Навоз животных также может быть использован в качестве источника для получения энергии. Однако экономически это оправдано только на очень крупных животноводческих комплексах промышленного типа. Иначе расходы на сбор и переработку навоза могут во много раз превышать стоимость получаемой энергии, и его выгоднее вывозить на поля в качестве удобрения. Источником биомассы могут служить и водные растения.
|
|
|
Физические основы утилизации биомассы предусматривают:
- биотермическое компостирование;
- низкотемпературный пиролиз;
- высокотемпературный пиролиз.
Биотермическое компостирование заключается в утилизации ТБО, основанный на ускоренных, естественных реакциях трансформации мусора при температуре порядка 60°С в среде кислорода, подаваемого в виде горячего воздуха. В результате такого воздействия биомасса ТБО превращается в компост в специальной биотермической установке (барабане). В результате низкотемпературного пиролиза измельчённые ТБО подвергаются термическому разложению. Высокотемпературный пиролиз характеризуется прямым превращением мусора в газ.
12.2 Термохимические процессы в биомассе
Термохимические процессы. Биомасса может сжигаться или подвергаться пиролизу непосредственно после предварительной сортировки и измельчания. Однако, она может быть еще и обработана химически для того, чтобы получить исходный материал для спиртовой ферментации или вторичное топливо. Рассмотрим несколько наиболее важных примеров из большого числа возможных.
Гидрогенизация. Измельченную, разложившуюся или переваренную
биомассу, например, навоз, нагревают в атмосфере водорода до температуры
около 600 °С при давлении около 5 МПа. Получаемые при этом горючие газы, преимущественно метан и этан, при сжигании дают около 6 МДж на 1 кг сухого сырья.
Гидрогенизация с применением CO и пара. Ведется аналогично преды-дущему процессу, но нагревание производится в атмосфере CO и водяного пара при температуре 400 °С и давлении 5 МПа. Из продуктов реакции извлекается синтетическая нефть, которую можно использовать как топливо. Соответствующие реакции идут в присутствии катализатора:
CO + H 2 O → CO 2 + H 2; (12.1)
(C) n (H2O) n + (n+ 1) H2 → n H 2 O + H (CH 2) n H. (12.2)
Метиловый спирт в качестве топлива.
Метиловый спирт (метанол) – ядовитая жидкость, получаемая в процессе каталитической реакции между H 2 и CO при температуре 330 °С и давлении 15 МПа:
2 H 2 + CO = CH 3 ОН. (12.3)
|
|
|
Эти газы – компоненты синтетического газа, они могут получаться при
газификации биомассы. Метанол можно использовать в качестве заменителя
бензина с теплотой сгорания 23 МДж/кг.
Термохимические процессы путем брожения биомассы (спиртовая ферментация) позволяют получить из сахарного тростника, сахарной свеклы, растительного крахмала эиловый спирт (этанол). Его удобно использовать также как жидкое топливо в двигателях автомобилей. Можно вводить в несколько переделанные бензиновые двигатели прямо 95%-ный этанол, или подавать в обычный двигатель смесь из 100%-ного этанола (обезвоженный) с бензином в соотношении 1:10.Обезвоженный этанол– жидкость в интервале температур от –117 до +78 °С с температурой воспламенения 423 °С. Применение его в двигателе внутреннего сгорания требует специального карбюратора. Поэтому и смешивают бензин с обезвоженным этанолом (20 % по объему) и используют эту смесь (газохол) в обычных бензиновых двигателях.
13 Лекция №13. Получение биогаза. Газогенераторные установки
План лекционного занятия: характеристика биогаза и способы его получения. Газогенераторные установки. Котельные установки для сжигания биотоплива.
Цель: изучение характеристикиспособов получения биогаза; технологической схемы биогазовой и газогенераторной установки.
13.1 Характеристика биогаза и способы его получения
Биогаз может использоваться как обычный природный газ для технологических целей, обогрева, выработки электроэнергии. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива.
Биогаз состоит из метана (55 – 85% - CH4) и углекислого газа (15 – 45% – CO2), а также могут быть следы сероводорода. Его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. При переработке 1 тонны навоза крупного рогатого скота и свиней (с влажностью 85%) можно получить от 45 до 60 м3 биогаза, 1 тонны куриного помета (с влажностью 75%) реально получить до 100 м3 биогаза. По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута или 1,5 кг дров. Получение биогаза из органических отходов имеет следующие особенности:
|
|
|
- осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально – бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз;
- анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила приводит к минерализации основных компонентов удобрений (азота и фосфора) и их сохранению (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 40% азота);
- при метановом брожении высокий КПД превращения энергии органических веществ в биогаз (80–90%);
- биогаз с высокой эффективностью используется для получения тепловой и электрической энергии, а также для заправки автомобилей.
На рисунке 13.2 показана технологическая схема получения биогаза из отходов животноводства.
Принцип работы биогазовой установки. Биомасса (отходы или зеленая масса) периодически подаются с помощью насосной станции или загрузчика в реактор (метантенк). Реактор представляет собой подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. Стройматериалом для промышленного резервуара чаще всего служит железобетон или сталь с покрытием.
1 – ферма; 2 – резервуар для хранения навоза; 3 – насос; 4 – метантанк; 5 – газгольдер; 6 – теплообменник; 7 – котел; 8 – хранилище удобрения.
Рисунок 11.2 - Технологическая схема получения биогаза
В малых установках иногда используются композиционные материалы. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35 ÷ 38°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.
|
|
|
